风力发电原理模板优秀PPT.ppt

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1、风力发电原理风力发电原理主讲：主讲：n风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。简洁的说风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能再转换为电能的过程。n 现代风力发电机接受空气动力学原 理，就像飞机的机翼一样。风并非 推 动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶 片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。n依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以起先发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。（一）风力发电设备组成：风力发电机组包括两大部分；一部分是风力机，由它将风

2、能转换为机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。分类：1）依据它收集风能的结构形式及在空间的布置，可分为水平轴式或垂直轴式。2）从塔架位置上，分为上风式和下风式；3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等；5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区分。6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(110kW)、中型(10100kW)和大型(100kw以上)机。1、风力机的主要技术指标参数风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；叶片数目，高速发电用风力机为24片，低速风力机大干4片；叶片材料，现代常接受

3、高强度低密度的复合材料；风能利用系数，一般为0.150.5之间；启动风速，一般为35m/s;停机风速，通常为1535ms;输出功率，现代风力机一般为几百干瓦几兆瓦；发电机，分为直流发电机和沟通发电机；另外还有塔架高度等等。2、水平轴力风机特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称水平轴风力机。组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部件组成，大中型风力机还有自动限制系统。应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是日前最具有实际开发价值的风力机：类型：有传统风车、低速风力机及高速风力机水平轴力风机图3、垂直轴风力机特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机叫垂直抽风力机。形式有：

4、如s型、H型、型等。应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化，但是它有很多特点，如不需大型塔架、发电机可安装在地面上、修理便利及叶片制造简便等，探讨日趋增多，各种形式不断出现。各种形式的垂直轴风力机。型风力机图（二）风力发电系统n从外部看，整个风力发电机组看上去只有三个主要部分：风轮、机舱和塔架。n发电机、传动系统、限制系统等都集成在机舱内。n机舱除了担当容纳全部机械部件的功能，还起到承受全部外力（包括静负载及动负载）的作用。n机舱底盘和塔架之间有回转体，使机舱可水平转动。机组的总体结构机组的总体结构图：控 制 系 统风轮增速器发电机主继电器主开关熔断器变压器晶闸管电网风变桨风速转速并网功率无

5、功补偿风（三）风力发电机主要组成部分介绍 1、风轮 风力机区分于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由23个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。由于风力发电机的理论基础也是空气动力学，故其叶片形态与机翼很相像。风经过水平轴风力发电机的叶片时由于叶片与风有一个夹角，风在叶片上形成升力，风力发电机就是依靠叶片上的升力把风能转换为旋转的机械能，从而带动发电机进行发电的。2、塔架n风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有亲密关系。水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类。n一般圆柱形塔架对风的阻力较小，

6、特殊是对于下风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造价不高，运输也便利。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。管柱型和桁架型如图：3、机舱4、齿轮箱对于容量较大的风电机组，因风轮转速很低，远达不到发电机发电的要求，往往通过齿轮箱的增速作用来实现。而并网运行的发电机必须要求再同步转速左右才能运行，故风力发电机组一般都在主轴与发电机之间安装有增速传动机构。风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。风力发电机组中的齿轮箱也称为增速箱。齿轮箱的主要功能就是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应转速。齿轮箱

7、 对于大型风力发电机，由于限制其转速，传动装置的增速比一般为4050。这样，可以降低发电机重量，从而降低成本。5、偏航系统 用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流淌方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流淌的空气中获得的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(通称偏航系统)。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调整系统和扭缆爱护装置等部分组成。偏导航系统的作用n偏航系统的主要作用有两个：n 1)与风力发电机组的限制系统相互协作，使风发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；n 2)供应必要

8、的锁紧力矩，以保障风力发电机组的平安运行。（四）发电机 发电机的作用，是利用电磁感应现象把由风轮输出的机械能转变为电能。发电机有基本类型：一般异步风力发电机组 双馈异步风力发电机组 直驱式同步风力发电机组（含永磁发电机和直流励磁发电机）混合式风力发电机组 1、一般异步风力发电机组、一般异步风力发电机组技术特点：1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，须要齿轮箱增速，转子绕组短路，结构一般为鼠笼结构；2、转子转速固定，风能利用率低，其转速由齿轮箱传动比和发电机极对数确定；3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行；4、发电机定子干脆与电网连接，启动时产生很大启动电流，其配置启动装置。5、从系统

9、吸取大量无功，需配置无功补偿装置。结构简洁，限制便利。2、双馈式异步风力发电机组双馈式异步风力发电机组技术特点：1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，须要齿轮箱增速；2、转子绕组通过电滑环或接受绕线结构与电力电子换流装置连接；3、通过电力电子换流装置的限制作用，可以调整限制发电机转子电流和电磁转矩，从而使转子转速可随风速的变更而变更，使风力发电系统获得最大风能捕获效率，风能利用率高；4、在低风速时，发电机转子低于同步速运行，发电机转子绕组通过换流器向发电机馈入励磁功率；在高风速时，发电机转子高于同步速运行，发电机转子绕组向换流器输出励磁功率；5、干脆与电网连接，由于转子电流可控，因此可以实现风

10、力发电机平滑并网。3、直驱式同步风力发电机组直驱式同步风力发电机组 技术特点：1）叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，转子绕组通过增加极对数来降低同步转速，从而避开了齿轮箱损耗；2）同步电机励磁系统可接受直流电励磁或永磁体励磁方式，由于转子极对数较多，电机外尺寸较大且较重，不便利运输和吊装。3）对于直流电励磁方式的同步电机，转子转速的调整可以通过限制励磁电流的大小来限制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率；对于永磁同步电机，可以通过调整直流电压的方式来限制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率，风能利用率高；4）对于直流励磁方式的同步电机，励磁损耗较小；对于永磁同步电机，则

11、存在永磁材料的消磁现象。5）通过电力电子换流器与电网连接，吸取或输出功率可调，因此可以实现风力发电机平滑并网。6）电网侧换流器接受空间矢量限制技术，可以实现发电机有功功率和无功功率的解藕限制，能够独立调整发电机向系统吸取或发出无功。结构、限制系统困难。以上风电机组优缺点比较表以上风电机组优缺点比较表 双馈、永磁和直流励磁 风力发电机外观图双馈风力发电机外观特点：机舱瘦长直驱永磁风力发电机外观特点：机舱短粗直流励磁风力发电机外观特点：机舱臃肿（四）限制系统主要功能1）按预先设定的风速值(一般为34ms)自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并人电网。2）借助各种传感器自动检测风力发电

12、机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。3）当风速大干最大运行速度(一般设定为25ms)时实现自动停机。4）故障爱护。5）通过光缆或电话线相互连接。风机限制方式及内容n一个完整的风力发电机组通常由风轮、增速齿轮箱、风力发电机、机座、塔架、调速器、调向器、停车制动器、限制系统等构成，为使风力机组能够稳定运行，必需对其进行有效的限制。考虑到风力发电机组的特殊性，按重要性的依次，限制器应依次满足以下要求：n1）风能转换系统是稳定的；n2）运行过程中，在各种不确定的的因素如阵风、剪切风、

13、负载变更作用下具有鲁棒性；n3）限制代价小，即对不同输入信号的幅值有确定限制，如调向的时间等；4）最大限度地将风能转换为电能，即在额定风速以下，可能使发电机在每一种风速时，输出的电功率达到最大，额定风速以上时则保持输出电功率为常量；5）风力发电机输出的电功率保持恒压恒频，有较高的电能品质质量。n风力发电机组限制目标有很多项，限制方法多种多样，按限制对象划分大致可分为偏航系统、发电机并网限制系统、发电机功率限制系统、电容器限制系统等等，其中两个核心问题是：风能的最大捕获以提高风能转换效率以及改善电能质量问题。由风力机最大风能捕获的运行原理可知，若风速越高，则与之相对应的风力机转速越高。但受风电机

14、组转速极限、功率极限等限制，风力机转速不行能太高。n因此，为实现最大风能捕获，风力机有三种典型的运行状态：低风速段实行变速运行，可保持一个恒定的风能利用系数Cp值，依据风速变更限制风力机转速，使叶尖速比不变，直到转速达到极限；转速达到极限后，风速进一步加大时，按恒定转速限制风力机运行，直到输出最大功率，此时的风能Cp不确定是最大值；超过额定风速时，输出功率达到极限，按恒功率输出调整风力机。（五）风的能量与测量产生能量的基本要素：风具有确定的质量和速度。风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。2）风能密度：单位时间

15、内通过单位截面积的风能。3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米秒(m/s)或千米小时(kmh)。分13级4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。风频是指风向的频率，即在确定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比，5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯灵活风向风速表等。1、风中的能量风中蕴含的能量是动能，故P=1/2AV3可用风能与风速的立方成正比，风速的稍微增加会导致功率的显著增加风力与海平面1.225kg/m3处的空气比重成正比风能还受气压及温度的影响（大约10-15%）风能还与叶轮扫略面积成正比2、风力机的主要特

16、性系数风力机的主要特性系数1）功率系数（Cp）描述风机将风能转换为机械能的效率2）叶尖速比为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比其中：R 叶轮的半径，n 叶轮的机械转的圈数，V 作用于风力机的迎面风速。风中的能量无法全部被风机转换，其理论最高限度Cp（max）=0.593，通常被称为贝茨因数。3、叶尖速比的影响n风能利用系数Cp与风力机叶尖速比的对应关系：4、风轮的功率输出n风力机采集风能的基本计算公式nP=(Cpv3A)/2n其中，nCp为风能利用系数（Power Coefficient），表示风机捕获风能的实力，Cp=Pcapture/Pwindn为空气密

17、度(kg/m3)，与海拔、水汽压（即湿度）nv为风速(m/s)，通常按轮毂高度处风速计算nA为叶轮扫风面积(m2)，5、风力机的频率和电压限制n沟通发电机中的绕组通过交变磁极产生沟通电。沟通电的频率由发电机转速确定：其中p 发电机的磁极对数，n 发电机的转速，f 沟通电的频率。（六）风力发电机组分为定桨距与变桨距机组。n 定桨距风力发电机组的功率调整完全依靠叶片的气动特性。这种机组的输出功率随风速的变更而变更，当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航限制降低风能转换系数Cp，从而维持功率恒定。n 变桨距变速调整型变桨距机组为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机可由轮

18、毂舱内叶片根部的液压装置或电动机构进行桨距调整。变桨距风力发电机组的功率调整不完全依靠叶片的气动特性，它要依靠与叶片相匹配的叶片攻角变更来进行调整。n 1、定桨距失速调整型机组n一般用同步电机或者鼠笼式异步电机n 通过定桨距失速限制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值。n继而使风电机并网后定子磁场旋转频率等于电网频率 转子、叶轮的变更范围小，捕获风能的效率低。2、变桨距变速调整型机组n一般接受双馈电机或者永磁同步电机n 通过调速器和变桨距限制相结合的方法使叶轮转n 速可以跟随风速的变更在很宽的范围内变更，保持最佳叶尖速比运行，从而使风能利用系数在很大的风速变更范围内均能保持最大值，能量捕获效

19、率最大。n 发电机发出的电能通过变流器调整，变成与电网 同频、同相、同幅的电能输送到电网。3、变桨变速风电机组的动力驱动n目前流行的变速变桨风电机组的动力驱动系统主要有两种方案：n 1）升速齿轮箱绕线式异步电动机双馈变流器。n 2）无齿轮箱的干脆驱动低速永磁发电机全功率变流器。n两个方案各有优缺点：n 1）前者接受高速电机，体积小，重量轻，双馈变流器的容量仅与电机的转差容量相关，效率高、价格低廉，缺点是升速齿轮箱价格贵，噪音大、易疲惫损坏。n 2)后者无齿轮箱，牢靠性高，但接受低速永磁电机，体积大，造价高，变流器须要全功率，成本提高。变速恒频方式一：永磁同步直驱变流器将风电机组定子能量输出到系统变流器容量等于风电机组容量变速恒频方式二：变流励磁双馈 变流器连接风电机组专子，交换转差功率 变流器容量为风电机组容量的1/31/2